№116 Особенности сварки алюминия и его сплавов

Особенности сварки алюминия и его сплавов.

Свойства алюминия и его сплавов.

Алюминий обладает низкой прочностью (σ_в ≈ 10*10⁷Па), поэтому его применяют в основном в химическом аппаратостроении, для оконных и дверных переплетов и декоративных изделий в строительстве. Он обладает малой плотностью (2,7 г/см³), повышенной коррозионной стойкостью и большой пластичностью по сравнению с низкоуглеродистой сталью.

Повышенную прочность имеют сплавы алюминия с марганцем, магнием, кремнием, цинком и медью. Алюминий и его сплавы делят на литейные и деформируемые (катаные, прессованные, кованые). Деформируемые сплавы подразделяют на термически неупрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, и термически упрочняемые, к которым относятся сплавы алюминия с медью, цинком, кремнием. Наиболее высокой прочностью обладают термически упрочняемые алюминиевые сплавы. Например, механические свойства дюралюминия марки Д16 (3,8 — 4,9% меди, 1,2—1,8% магния, 0,3—0,9% марганца, остальное — алюминий) следующие: до термической обработки σ_в = 22*10⁷Па и δ = 2%; после термической обработки σ_в = 42*10⁷Па и δ = 18%.

Термически упрочненные алюминиевые сплавы разупрочняются при сварке.

Из термически неупрочняемых сплавов наибольшей прочностью обладают сплавы системы

Аl — Mg — Ti, например сплав АМг6, механические свойства которого следующие:

σ_в = (32 ÷ 38)*10⁷ Па, σ_в = (16 ÷ 18)*10⁷Па, δ =15÷20% и α_н = (3 ÷ 4)*10⁵ Дж/м². Конструкции из алюминиево-магниевого сплава марки АМг6 изготовляются в основном сварными.

Свариваемость алюминия и его сплавов.

Алюминий и его сплавы имеют большую теплопроводность, теплоемкость и скрытую теплоту плавления. Теплопроводность алюминия в три раза выше теплопроводности низкоуглеродистой стали; при нагреве от 20 до 600^°С разница в теплопроводности еще более возрастает. Следовательно, сварка алюминия и его сплавов должна выполняться с относительно мощным и концентрированным источником нагрева.

Коэффициент линейного расширения алюминия в два раза выше, чем коэффициент расширения железа. Это способствует увеличенным деформациям и короблению при сварке алюминиевых изделий.

Низкая удельная плотность (2,7 г/см³) и температура плавления (660°С) алюминия по сравнению с высокой удельной плотностью оксида алюминия А1₂О₃ (3,85 г/см³) и его температурой плавления (2050°С) затрудняют процесс сварки. Тугоплавкий и тяжелый оксид может оставаться в металле и снижать работоспособность сварного соединения. При сварке алюминия и его сплавов необходимо применять различные способы борьбы с оксидом А1₂О₃. ВО всех случаях поверхность металла изделия должна зачищаться непосредственно перед сваркой, а процесс сварки должен протекать с защитой расплавленного металла от действия газов воздуха.

Используют два способа борьбы с оксидом алюминия: сварка с растворителем оксидов (электродные покрытия, флюсы), сварка без растворителей, но с так называемым катодным распылением.

Растворителями оксида А1₂О₃ и других оксидов являются галогенные соли щелочноземельных металлов (хлористый, фтористый литий и др.), которые растворяют оксиды и вместе с ними поднимаются из сварочной ванны в сварочный шлак. Так как раствор обладает пониженной температурой плавления, меньшей удельной плотностью и меньшей вязкостью, чем каждый компонент в отдельности, то он выводится из металла шва в сварочный шлак.

Сущность катодного распыления состоит в том, что при дуговой сварке в аргоне на постоянном токе и только при обратной полярности происходит дробление оксидной пленки А1₂О₃ с последующим распылением частиц оксида. Тонкая оксидная пленка, покрывающая сварочную ванну, разрушается под ударами тяжелых положительных ионов аргона (атомный вес аргона примерно в 10 раз тяжелее атомного веса гелия и поэтому при сварке в гелии катодного распыления не происходит), образующихся при горении дуги.

Алюминиевые сплавы обладают повышенной склонностью к образованию пор. Пористость металла при сварке алюминия и его сплавов вызывается водородом, источником которого служит адсорбированная влага на поверхности основного металла и особенно сварочной проволоки, а также воздух, подсасываемый в сварочную ванну. В этом случае алюминий в сварочной ванне взаимодействует с влагой по реакции: 2А1 + 3Н₂О → А1₂О₃ + 6Н.

Для получения беспористых швов при сварке алюминия и его сплавов даже небольшой толщины иногда требуется подогрев, снижающий скорость охлаждения сварочной ванны и способствующий более полному удалению водорода из металла при медленном охлаждении. Например, при наплавке на лист алюминия толщиной 8 мм беспористый шов можно получить при подогреве металла до 150°С. При увеличении толщины металла до 16мм даже подогрев до температуры 300 С не обеспечивает беспористых швов.

Однако подогрев листов для сварки некоторых сплавов следует применять осторожно. Например, при сварке толстолистовых алюминиево-магниевых сплавов допускается подогрев до температуры не выше 100 — 150°С. Более высокая температура подогрева может усилить пористость шва за счет выделения из твердого раствора магния и образования при этом водорода по реакции: Mg + Н₂О → MgO + 2Н. Кроме того, при сварке подогретого металла (алюминиево-магниевых сплавов) снижаются механические свойства сварных соединений.

При аргонодуговой сварке алюминия и его сплавов борьбу с порами ведут с помощью окислительной атмосферы. Наилучшие результаты получаются при добавке к аргону 1,5% кислорода. Окислительная атмосфера в районе поверхности сварочной ванны не дает водороду растворяться в металле, так как водород будет находиться, прежде всего, в окисленном состоянии и поры в швах не образуются.